Автоматическая система бесперебойного питания 12 В

Общие сведения

В статье мы рассмотрим конструкцию простой и полностью автоматической системы бесперебойного питания 12 В для устройств малой и средней мощности (Рисунок 1). Этот источник питания специально разработан для работы с маршрутизаторами и волоконно-оптическими модемами для обеспечения бесперебойного доступа к сети Интернет и телефонным услугам в районах с частыми перебоями в сети электроснабжения.

Рисунок 1.	Автоматический источник бесперебойного питания 12 В.

Блок-схема и основные элементы

Основными блоками (Рисунок 2) автоматического источника бесперебойного питания (ИБП) являются: зарядное устройство с режимом стабилизации выходного напряжения, источник питания 12 В, блок контроля сети переменного тока и герметичный свинцово-кислотный аккумулятор на 12 В большой емкости. Вся система спроектирована с использованием широко распространенных и доступных элементов.

Рисунок 2.	Блок-схема автоматического источника бесперебойного питания 12 В.

Принципиальная схема автоматического ИБП показана на Рисунке 3. В схеме зарядки аккумулятора применен популярный интегральный регулируемый стабилизатор напряжения серии LM350. Подстроечными резисторами RV2 и RV3 настраиваются режимы быстрой зарядки (fast charging, 14.4 В) и непрерывной подзарядки (trickle charging, 13.6 В). В зависимости от состояния аккумулятора микроконтроллер определит подходящий режим зарядки. В «онлайн» режиме работы ИБП выходное напряжение 12 В для целевого устройства (модем, маршрутизатор) обеспечивается импульсным преобразователем напряжения на микросхеме LM2576-12.

Рисунок 3.	Принципиальная схема автоматического источника бесперебойного питания 12 В.

Микроконтроллер Microchip PIC16F688 контролирует сеть переменного тока, напряжение аккумулятора, управляет режимом работы (выходным напряжением) стабилизатора LM350 и выходным реле. Прошивка микроконтроллера написана с использованием компилятора Microchip XC8. Исходный код и файлы конфигурации доступны в разделе загрузок и в репозитории на GitHub [1].

Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор 12 В является наиболее важным компонентом ИБП. Рекомендуется использовать аккумулятор емкостью не менее 9 А·ч. В онлайн режиме выходное напряжение ИБП составляет 12 В. В автономном режиме при полностью заряженном аккумуляторе выходное напряжение составляет 12.5 В.

ИБП подходит для устройств с напряжением питания 12 - 13 В и потребляемым током до 2 А. С конфигурацией, указанной выше, ИБП обеспечивал бесперебойную работу оптоволоконного мрашрутизатора Huawei HG8245H5 более 7 часов.

Рекомендуемый понижающий трансформатор для ИБП должен иметь вторичные обмотки: 15 В×2 (5 А) и 12 В×2 (500 мА).

Стабилизатор напряжения LM350, импульсный преобразователь LM2576 и регулятор напряжения LM7805 должны быть установлены на радиаторы охлаждения. Допускается установка микросхем LM350 и LM2576 на один общий радиатор с применением керамических или слюдяных изоляторов для LM2576.

Микроконтроллер на плате устанавливается в панельку с соответствующим количеством контактов. Это необходимо для выполнения дальнейшей настройки ИБП.

Для получения точных результатов измерений в схеме ИБП рекомендуется использовать металлопленочные резисторы R3, R7 и R8 мощностью 0.25 Вт с допуском 1%. Резисторы R2 и R4 – керамические цементные, мощностью не менее 3 Вт.

Рисунок 4.	Вид тестовой установки ИБП для настройки и проверки.

Для ИБП в САПР KiCAD разработана односторонняя печатная плата с размерами 131.7 мм × 100 мм, проект которой доступен для скачивания в разделе загрузок. Вид тестовой установки ИБП показан на Рисунке 4.

Настройка и проверка работы

Перед подключением нагрузки и аккумулятора к ИБП необходимо выполнить простую настройку (калибровку) ИБП.

1. Извлеките микроконтроллер PIC16F688 из панельки и затем включите питание.
2. Подключите мультиметр к катоду диода D3 (+VBAT).
3. Замкните контакты 7 и 1 панельки, в которую устанавливается микроконтроллер.
4. С помощью подстроечного резистора RV2 установите напряжение на уровне 13.6 В.
5. Теперь замкните контакты 7 и 14 панельки, в которую устанавливается микроконтроллер.
6. С помощью подстроечного резистора RV3 установите напряжение на уровне 14.4 В.
7. Обесточьте схему ИБП и установите микроконтроллер в панельку.

После выполнения указанных выше шагов подключите к ИБП аккумулятор, а к отладочному разъему J6 – адаптер USB-UART (версия с напряжением питания 5 В). Подключите адаптер USB-UART к ПК и запустите терминальную программу для соответствующего COM-порта (скорость 1200 бод, 8 бит данных, 1 стоп-бит, аппаратное управление потоком выключено). Подключите мультиметр к клеммам аккумулятора и регулировкой подстроечного резистора RV1 добейтесь отображения в терминальной программе значения напряжения, в 10 раз превышающего показания мультиметра. Например, значение напряжения 12.6 В в терминальной программе будет отображено как 126 (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Вывод отладочных данных ИБП в терминальной программе.

После такой настройки ИБП готов к работе. При первоначальном подключении аккумулятора к ИБП дождитесь полной его зарядки.

Замечание

Эта печатная плата напрямую подключена к сети переменного тока, поэтому всегда соблюдайте необходимые меры предосторожности при измерении напряжений и калибровке.

Ссылки

1. Страница проекта на сайте github.com

Загрузки

1. Принципиальная схема, проект печатной платы (KiCAD), исходный код программы микроконтроллера, hex-файл прошивки.

Материалы по теме

1. Datasheet Diodes 1N5399
2. Datasheet Fairchild 1N5819
3. Datasheet ON Semiconductor 1N5822
4. Datasheet MCC 6A10
5. Datasheet Fairchild BC547
6. Datasheet Fairchild BC548
7. Datasheet ON Semiconductor BD135
8. Datasheet Texas Instruments LM2576T-12
9. Datasheet Texas Instruments LM350-N
10. Datasheet Texas Instruments LM7805
11. Datasheet First Silicon PC817
12. Datasheet Microchip PIC16F688
13. Datasheet Omron G2RL-2-DC12